大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，包括：自由模鑄的滲透系數(shù)可控的含水構造外殼，所述含水構造外殼的兩側(cè)分別安裝有進水管和出水管，所述進水管上設有進水流量控制裝置，所述出水管上設有出水流量控制裝置，所述進水管的一端與水箱連接，所述進水管和所述出水管位于含水構造外殼內(nèi)的部分分別設有若干個形成多個水道的進水口和出水口；所述含水構造外殼還與基于氣動攪拌的水波速可控裝置連接。本實用新型實現(xiàn)了對動水的流量及流向的控制，解決了激發(fā)極化法對動水模擬的要求；提出了自由模鑄的滲透系數(shù)可控的含水構造外殼，可模擬暗河、溶洞、斷裂帶等多種不良地質(zhì)體及其組合。
【專利說明】大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置。
【背景技術】
[0002]隧道建設中不良地質(zhì)體超前預報是保證安全施工的重要環(huán)節(jié)，是國內(nèi)外工程地質(zhì)和隧道工程界十分關注而又沒有得到很好解決的難題。由于物探的多解性，單一預報方法對不良地質(zhì)體預報的準確度并不十分可靠，同時不同的方法對不同的地質(zhì)缺陷預報效果也不盡相同。因此開展地震波法、電磁法、電阻率法等方法的隧道施工期綜合超前地質(zhì)預報研究具有十分重要的意義。
[0003]模型試驗是研究隧道掌子面前方溶洞、暗河等不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預報的一種十分有效的手段。為開展隧道掌子面前方溶洞、暗河等不良地質(zhì)體綜合超前地質(zhì)預報研究，在山東大學修建了 16m (長)X7.6m (寬)X6m (高)的比例尺為6:1的大比例尺多功能隧道超前地質(zhì)預報物理模型試驗裝置。該物理模型試驗裝置旨在對不同的含水構造進行多地球物理場的超前探測物理模擬。在該模型試驗中，溶洞、暗河等各種不良地質(zhì)體的布置是十分重要的工作。
[0004]相關學者在模型試驗含水體和含水構造方面開展了相應的研究與應用。李利平、許振浩等用可溶巖鹽預制成預定形狀并在巖鹽外套上不透水樹脂來模擬隧道突水突泥過程中的隱伏水體或充水巖溶管道裝置、無充填型溶洞或巖溶管道裝置。郭如軍等在巖體溫度法隧道施工掌子面前方含水體預報模型試驗中以一直徑20cm貫通孔長流水模擬隧道施工掌子面前方含水體。張慶松等在礦井含水構造附近采動巖體的溫度響應特征相似模擬試驗中采用內(nèi)置0.30mX0.30mX0.15m帶殼不透水體來模擬含水體。劉斌、李術才等在隧道含水構造直流電阻率法超前探測模型試驗中采用磚砌矩形含水體模擬隧道掌子面前方的含水體。這些方法針對于各自問題解決了其含水體模擬的問題。
[0005]上述方法針對于各自問題解決了其含水體模擬的問題，但綜合超前地質(zhì)預報模擬中含水構造仍存在下列問題需要解決:
[0006]第一，在綜合超前預報含水構造需要考慮地震法、電磁法、電阻率法等關于彈性波場、電場的多場要求。含水構造的模擬需要水的參與，根據(jù)本大型模擬實驗平臺相似比(6:1)的要求，電場關于電阻率的要求(10-200Ωπι)容易滿足，但是水的彈性波場關于彈性波速的要求(500m/s)需要解決，因此含水構造中水的波速可控是一需要解決的難題。
[0007]第二，水的狀態(tài)，包括水的流速以及水的流向?qū)τ陔姺ǖ募ぐl(fā)極化效應有較大影響，因此含水構造中水的流量以及水的流速是又一需解決的關鍵問題。
[0008]第三，由于綜合超前預報需要模擬暗河、溶洞、斷裂帶等多種不良地質(zhì)體及其組合，因此，含水構造如何快速方便模擬多種不良地質(zhì)體也是需要解決的問題之一。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型的目的是為實現(xiàn)上述功能，提供一種大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，該裝置能夠在大型物理模擬實驗中，靈活快速布置，滿足地震波場、電磁波場以及電場的多元地球物理場的要求，模擬暗河、溶洞、斷裂帶等多種不良地質(zhì)體以及水的流量和流向可控。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術方案:
[0011]大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，包括:自由模鑄的滲透系數(shù)可控的含水構造外殼，所述含水構造外殼的兩側(cè)分別安裝有進水管和出水管，所述進水管上設有進水流量控制裝置，所述出水管上設有出水流量控制裝置，所述進水管的一端與水箱連接，所述進水管和所述出水管位于含水構造外殼內(nèi)的部分分別設有若干個形成多個水道的進水口和出水口 ；所述含水構造外殼還與基于氣動攪拌的水波速可控裝置連接。
[0012]所述進水管和出水管分別通過水的流向控制裝置連接到含水構造外殼上，所述進水管和出水管位于含水構造外殼內(nèi)部的部分通過水的流向控制裝置分別分為若干方向的管道。
[0013]所述水波速可控裝置包括計算機，所述計算機分別與空氣壓縮機和聲發(fā)射換能器連接，所述空氣壓縮機與插入含水構造外殼的多孔排管一端連接，所述多孔排管的另外一端有若干平行的管道，所述聲發(fā)射換能器位于含水構造外殼的內(nèi)部。
[0014]所述進水流量控制裝置，包括流量控制器，所述流量控制器與計算機連接，所述流量控制器還與變頻器連接，所述變頻器與變頻電機連接，所述變頻電機與進水流量計連接，所述進水流量計與計算機連接，所述進水流量計安裝在進水管內(nèi)。
[0015]所述出水流量控制裝置，包括流量控制器，所述流量控制器與計算機連接，所述流量控制器還與變頻器連接，所述變頻器與變頻電機連接，所述變頻電機與出水流量計連接，所述出水流量計與計算機連接，所述出水流量計安裝在出水管內(nèi)。
[0016]所述水的流向控制裝置為三通道電磁閥，所述三通道電磁閥與計算機連接。
[0017]所述含水構造外殼采用滲透性好的可控滲透系數(shù)的透水材料模鑄而成。所述含水構造外殼的材料包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥I份，水渣1.25-2.05份，石子
0.50-1.25份，水0.3-0.75份質(zhì)量配合比模鑄而成。
[0018]所述含水構造裝置所采用的制造方法，步驟如下:
[0019]步驟(I):澆筑含水構造外殼:根據(jù)要制作的含水構造類型和形狀選擇合適的剛模具和模板，在剛模具內(nèi)將FRP筋按照設定的間距布置綁扎；按照設定滲透系數(shù)要求，選擇配合比，將水泥、水渣和石子先在攪拌機攪拌均勻，然后加入水，再攪拌均勻；然后倒入剛模具和模板內(nèi)，并震動搗實，澆筑成型；設定時間過后脫模，按照混凝土養(yǎng)護規(guī)定養(yǎng)護若干天；
[0020]步驟(2):安裝基于氣動攪拌的水波速可控裝置:將過量塑料粉通過空氣壓縮機加入到含水構造外殼內(nèi)的水中制成懸濁液，聲發(fā)射換能器按照固定距離固定好，將多孔排管固定好，將計算機分別與空氣壓縮機和聲發(fā)射換能器連接，將空氣壓縮機與多孔排管連接;
[0021]步驟(3):安裝進出水流量控制裝置和水的流向控制裝置:將流量控制器分別與兩個變頻器連接，將兩個變頻器分別與變頻電機連接，將變頻電機分別與進水流量計和出水流量計連接；水的流向控制裝置與計算機連接好，水的流向控制裝置安裝在含水構造外殼的兩端；將進水管和出水管分別與含水構造外殼連接好；
[0022]步驟(4):含水構造裝置吊裝與埋設:在設定長寬高的多功能隧道超前地質(zhì)預報物理模型試驗裝置上按照指定位置使用旋挖裝置將填挖好的模型開挖到合適深度，將含水構造裝置用行吊吊到開挖好的位置，將挖開的圍巖相似材料埋上，夯實；
[0023]步驟(5):通過計算機設定水的彈性波波速、水的流量及流向，控制相應裝置進行工作。
[0024]所述步驟(I)中含水構造外殼澆筑時，首先，需要在含水構造外殼兩側(cè)預留兩個直徑3cm的洞，分別作為進出水和口水管安裝的位置；同時需要在外殼預留一個直徑2cm的洞，作為含水構造內(nèi)的多孔排管連接管安裝的位置；還需要在含水構造外殼預留
0.2X0.2m的方形孔，并制作適合其大小的蓋，該方形孔作為填充固體填充材料時使用，填充完后，用螺栓將制作好的蓋固定到外殼上，將預留的方形孔封上。
[0025]所述基于氣動攪拌的水波速可控裝置的工作原理是，由于水的波速比預期要高，因此采用塑料粉懸濁液對其波速進行可控調(diào)節(jié)。塑料粉懸濁液中，塑料粉的含量會對波速有影響，含量越高，波速越低；塑料粉在塑料粉懸濁液中的含量是通過空氣壓縮機的功率來控制，功率高時，多孔排管產(chǎn)生的均勻氣泡多，在懸濁液中吹起的塑料粉越多，懸濁液中塑料粉的含量也就越高。因此，波速可控采用反饋調(diào)節(jié):在水中提前加入過量的塑料粉，電腦控制空氣壓縮機以200KW的功率工作，在多孔排管中產(chǎn)生均勻氣泡，使塑料粉在水里保持懸濁；同時聲發(fā)射探頭工作，測試懸濁液的彈性波波速，并實時反饋給計算機，當波速比預計值高或者低時，計算機調(diào)整空氣壓縮機的工作功率(50-370KW)，減少或增加水中塑料粉的含量，使波速升高或降低，實現(xiàn)水的波速實時可控調(diào)節(jié)。
[0026]所述進水流量控制裝置和出水流量控制裝置的工作原理:通過計算機控制流量控制器，流量控制器分別通過進水端和出水端的變頻器控制變頻電機，控制進出水量，進出水流量計對進出水量向計算機進行實時反饋，流量控制器根據(jù)計算機接收到的反饋信息對變頻器進行實時控制，同時流量控制器顯示實時流量和總體水量。
[0027]所述含水構造外殼采用滲透性好的可控滲透系數(shù)的透水材料通過類似于混凝土澆筑的方式模鑄而成。外殼形狀采用木模板模鑄而成，能自由模鑄不同的形狀，根據(jù)需模擬的暗河、溶洞、斷裂帶不同地質(zhì)體的形狀選擇不同的木模板形狀，能模擬暗河、溶洞、斷裂帶等不同地質(zhì)體。
[0028]本實用新型的有益效果是:
[0029]本實用新型提出了一種大型多功能隧道超前地質(zhì)預報物理模型試驗中的含水構造裝置，主要包括:基于氣動攪拌裝置的水波速可控裝置、水的流量及流向控制裝置及自由模鑄的滲透系數(shù)可控的含水構造外殼。實現(xiàn)了大型多功能隧道超前地質(zhì)預報物理模型試驗中含水構造的靈活、快速、任意布置，具有以下特色:
[0030]1>本實用新型提出了一種基于氣動攪拌裝置的水波速可控裝置，實現(xiàn)了對水體波速的可控調(diào)節(jié)，滿足地震法、電磁法、電阻率法等關于彈性波場、電場的多元地球物理場要求；
[0031]2>本實用新型提出了一種水的流量及流向控制裝置，實現(xiàn)了對動水的流量及流向的控制，通過水量的控制可實現(xiàn)對不良地質(zhì)體不同充水狀態(tài)的模擬，通過流向的控制解決了激發(fā)極化法對動水模擬的要求；
[0032]3>本實用新型提出了提出了一種可控滲透系數(shù)的含水構造外殼，外殼采用水泥、水渣、石子模鑄而成，通過調(diào)節(jié)配合比，可實現(xiàn)含水構造外殼不同滲透系數(shù)；通過自由模鑄不同形狀可模擬暗河、溶洞、斷裂帶等多種不良地質(zhì)體及其組合。
[0033]所述FRP筋用于承受拉力，控制含水構造外殼的裂縫，在外殼中按照間距為
0.10-0.15m的間距布置綁扎，而且它解決了普通鋼筋對電磁法干擾的問題；
[0034]所述水泥為抗壓強度為32.5MPa的普通硅酸鹽水泥，在外殼中是主要的承壓部分；
[0035]所述水渣采用粒度大于2mm的，它調(diào)節(jié)外殼透水性；
[0036]所述石子采用3_左右單一級配的石子，起到增到孔隙和增加滲透性的作用。
[0037]本實用新型所述配合比配置形成透水性較好的可控滲透系數(shù)的外殼既滿足一定的透水性，使得含水構造裝置的電阻率滿足實際情況需要，又不會使含水構造裝置內(nèi)部的水過多流到外部圍巖材料中，污染背景圍巖材料。同時采用上述質(zhì)量配合比中不同配合比，可使含水構造外殼的滲透系數(shù)范圍為1.0X10_2-2.0X10_2cm/s，可根據(jù)含水構造需要選擇不同的配合比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是本實用新型整體結(jié)構圖；
[0039]圖2是本實用新型基于氣動攪拌裝置的水波速可控裝置示意圖；
[0040]圖3是本實用新型水的流量控制裝置示意圖；
[0041]圖4是本實用新型水的流向控制裝置示意圖。
[0042]圖中，1.出水流量控制裝置，2.進水流量控制裝置，3.水箱，4.空氣壓縮機，5.計算機，6.三通道電磁閥，7.出水管，8.多孔排管，9.聲發(fā)射換能器，10.進水管，12.流量控制器，13.變頻器，14.變頻電機，15.進水流量計，16.出水流量計，17.含水構造外殼。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
[0044]如圖1所示，大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，包括:自由模鑄的滲透系數(shù)可控的含水構造外殼17，所述含水構造外殼17的兩側(cè)分別安裝有進水管10和出水管7，所述進水管10上設有進水流量控制裝置2，所述出水管7上設有出水流量控制裝置1，所述進水管10的一端與水箱3連接，所述進水管10和所述出水管7位于含水構造外殼17內(nèi)的部分分別設有若干個形成多個水道的進水口和出水口 ；所述含水構造外殼17還與基于氣動攪拌的水波速可控裝置連接。
[0045]所述進水管10和出水管7分別通過水的流向控制裝置連接到含水構造外殼17上，所述進水管10和出水管7位于含水構造外殼17內(nèi)部的部分通過水的流向控制裝置分別分為若干方向的管道。
[0046]如圖2所示，所述水波速可控裝置包括計算機5，所述計算機5分別與空氣壓縮機4和聲發(fā)射換能器9連接,所述空氣壓縮機4與插入含水構造外殼17的多孔排管8 —端連接，所述多孔排管8的另外一端有若干平行的管道，所述聲發(fā)射換能器9位于含水構造外殼17的內(nèi)部。
[0047]如圖3所示，所述進水流量控制裝置2，包括流量控制器12，所述流量控制器12與計算機5連接，所述流量控制器12還與變頻器13連接，所述變頻器13與變頻電機14連接，所述變頻電機14與進水流量計15連接,所述進水流量計15與計算機5連接,所述進水流量計15安裝在進水管10內(nèi)。
[0048]如圖3所示，所述出水流量控制裝置1，包括流量控制器12，所述流量控制器12與計算機5連接，所述流量控制器12還與變頻器13連接，所述變頻器13與變頻電機14連接，所述變頻電機14與出水流量計16連接,所述出水流量計16與計算機5連接,所述出水流量計16安裝在出水管7內(nèi)。
[0049]所述水的流向控制裝置為三通道電磁閥6，所述三通道電磁閥6與計算機5連接。
[0050]所述含水構造外殼17采用滲透性好的可控滲透系數(shù)的透水材料模鑄而成。所述含水構造外殼17的材料包括水泥、水渣、石子、FRP筋，按照水泥I份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25份，水0.3-0.75份質(zhì)量配合比模鑄而成。
[0051]大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置的制造方法，其制作步驟如下:
[0052](I)澆筑含水構造外殼17:根據(jù)要制作的含水構造類型和形狀選擇合適的剛模具和模板，在剛模具內(nèi)將FRP筋按照0.10-0.15m的間距布置綁扎。按照滲透系數(shù)要求，選擇配合比(水泥I份，水渣1.25-2.05份，石子0.50-1.25份，水0.3-0.75份)，將水泥、水渣和石子先在攪拌機攪拌均勻，然后加入水，攪拌均勻。倒入剛模具和模板內(nèi)，并震動搗實，澆筑成型。24小時后脫模，按照混凝土養(yǎng)護規(guī)定養(yǎng)護28天。含水構造外殼17澆筑時，首先，需要在外殼上部預留兩個直徑3cm的洞，作為進出水口水管安裝的位置；同時需要在外殼上部預留一個直徑2cm的洞，作為氣動攪拌裝置中空壓泵和含水構造內(nèi)的多孔透氣排管連接管安裝的位置；還需要再含水構造上部外殼預留0.2X0.2m的方形孔，并制作適合其大小的蓋，該孔作為填充固體填充材料時使用，填充完后，用螺栓將制作好的蓋固定到外殼上，將預留的方形孔封上。
[0053](2)安裝基于氣動攪拌的水波速可控裝置:將過量塑料粉加入到含水構造水中制成懸濁液，聲發(fā)射換能器9按照固定距離(IOcm)固定好，將計算機5、空氣壓縮機4、多孔排管8、聲發(fā)射換能器9連接好。
[0054](3)安裝水的流量控制裝置和水的流向控制裝置:水的流量控制裝置(計算機5、流量控制器12、變頻器13、變頻電機14、流量計)、水的流向控制裝置(計算機5、三通道電磁閥6)連接好。將進出水管7分別與含水構造連接好。
[0055](4)含水構造吊裝與埋設:在16m (長)X7.6m (寬)X6m (高)的多功能隧道超前地質(zhì)預報物理模型試驗裝置上按照指定位置使用旋挖裝置將填挖好的模型開挖到合適深度，將含水構造用模型上部的行吊吊到開挖好的位置，將挖開的圍巖相似材料埋上，夯實。
[0056](5)通過計算機5設定水的彈性波波速、水的流量及流向，控制相應裝置工作。
[0057]水的流向控制是通過計算機5分別控制進水端和出水端的三通道電磁閥6的三個通道a、b、c和a’、b’、c’，可產(chǎn)生如圖4所示的9個不同流向的水流。同時通過控制在含水構造內(nèi)的不同水量可模擬各種不良地質(zhì)體在不同充水狀態(tài)的工程概況。
[0058]通過以上步驟即可完成含水構造的制作、埋設，即可開展相應的超前探測模型試驗工作。上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
【權利要求】
1.大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，其特征是，包括:自由模鑄的滲透系數(shù)可控的含水構造外殼，所述含水構造外殼的兩側(cè)分別安裝有進水管和出水管，所述進水管上設有進水流量控制裝置，所述出水管上設有出水流量控制裝置，所述進水管的一端與水箱連接，所述進水管和所述出水管位于含水構造外殼內(nèi)的部分分別設有若干個形成多個水道的進水口和出水口 ；所述含水構造外殼還與基于氣動攪拌的水波速可控裝置連接。
2.如權利要求1所述的大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，其特征是，所述進水管和所述出水管分別通過水的流向控制裝置連接到含水構造外殼上，所述進水管和出水管位于含水構造外殼內(nèi)部的部分通過水的流向控制裝置分別分為若干方向的管道。
3.如權利要求1所述的大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，其特征是，所述水波速可控裝置包括計算機，所述計算機分別與空氣壓縮機和聲發(fā)射換能器連接，所述空氣壓縮機與插入含水構造外殼的多孔排管一端連接，所述多孔排管的另外一端有若干平行的管道，所述聲發(fā)射換能器位于含水構造外殼的內(nèi)部。
4.如權利要求1所述的大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，其特征是，所述進水流量控制裝置，包括流量控制器，所述流量控制器與計算機連接，所述流量控制器還與變頻器連接，所述變頻器與變頻電機連接，所述變頻電機與進水流量計連接，所述進水流量計與計算機連接，所述進水流量計安裝在進水管內(nèi)。
5.如權利要求1所述的大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，其特征是，所述出水流量控制裝置，包括流量控制器，所述流量控制器與計算機連接，所述流量控制器還與變頻器連接，所述變頻器與變頻電機連接，所述變頻電機與出水流量計連接，所述出水流量計與計算機連接，所述出水流量計安裝在出水管內(nèi)。
6.如權利要求2所述的大型隧道超前預報模型試驗的含水構造裝置，其特征是，所述水的流向控制裝置為三通道電磁閥，所述三通道電磁閥與計算機連接。
【文檔編號】G01V11/00GK203658602SQ201420009400
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權日:2014年1月7日
【發(fā)明者】宋杰, 李術才, 王傳武, 李堯, 聶利超, 劉斌, 張慶松, 劉征宇, 孫懷鳳, 陳磊, 田明禛, 王世睿, 許新驥 申請人:山東大學